KR100368122B1 - Chirped fiber grating sensor with variable reflection bandwidth according to strain and strain measurement system using the sensor - Google Patents
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Abstract
이 발명에 따른 광섬유 격자 센서는 상대적 장주기 격자부와 상대적 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유; 및 상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함한다. 차단 부재가 외부로부터 가해지는 스트레인을 차단함에 따라 상대적 상대적 단주기 격자부에 의한 반사 파장과 상대적 장주기 격자부에 의한 반사 파장이 스트레인이 가해지면 서로 겹치게 되어 반사 대역이 줄어들게 되고, 전체적으로 반사되는 빛의 파워가 감소된다. 이와 같이 광섬유 격자 센서로부터 반사되고 외부의 스트레인에 따라 파워가 가변되는 빛을 검출하여 외부에서 가해지는 스트레인을 용이하게 검출할 수 있으므로, 파장 분석 장비 등의 별도 장치가 필요하지 않게 되어 구조가 간단해진다. 또한, 검출되는 빛의 파워는 온도에 무관하므로 온도의 영향을 배제한 광섬유 격자 스트레인 센서 시스템의 기능을 하게 된다.An optical fiber grating sensor according to the present invention comprises: an optical fiber including a core having a relative long period grating portion and a relative relative short period grating portion; And a blocking member surrounding the outside of the optical fiber corresponding to the relative long period lattice portion. As the blocking member blocks the strain applied from the outside, the reflection wavelength by the relative relative short-period lattice portion and the reflection wavelength by the relative long-period lattice portion overlap each other when the strain is applied, and the reflection band is reduced. Power is reduced. In this way, since the light reflected from the optical fiber grating sensor and the power of which varies depending on the external strain can be detected, the strain applied from the outside can be easily detected, thereby eliminating the need for a separate device such as a wavelength analyzer and simplifying the structure. . In addition, the power of the detected light is independent of temperature and thus functions as a fiber grating strain sensor system that excludes the influence of temperature.
Description
이 발명은 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인(strain) 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 외부에서 인가되는 스트레인에 따라 반사 대역폭이 가변되는 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인 측정 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber grating sensor and a strain measuring device using the same. More particularly, the present invention relates to an optical fiber grating sensor having a reflection bandwidth varying according to an externally applied strain and a strain measuring device using the same.
광통신용 및 광섬유 센서용으로 널리 쓰이고 있는 광섬유 격자는 일반적으로 광섬유에 강한 자외선 레이저를 조사하여 발생되는 광섬유 코어 내에서의 굴절률 변화에 의해 만들어진다.Fiber gratings, which are widely used for optical communication and optical fiber sensors, are generally made by the change of refractive index in the optical fiber core generated by irradiating a strong ultraviolet laser to the optical fiber.
이 때, 발생되는 광섬유의 굴절률 변조 주기 등의 특성에 따라 단주기 광섬유 격자, 장주기 광섬유 격자 등으로 분류되고, 각기 특성에 따라 파장에 따른 반사 및 투과 필터 등으로 연구 및 사용되고 있다. 또한, 굴절률 변화의 변조 주기가 광섬유의 길이에 따라 다르게 제작한 처핑된(chirping) 광섬유 격자는, 광통신에서의 분산보상, 광섬유 센서 등의 소자로 이용이 되어왔다.At this time, according to the characteristics of the refractive index modulation period of the optical fiber generated, it is classified into a short period optical fiber grating, a long period optical fiber grating, etc., and has been studied and used as a reflection and transmission filter according to the wavelength according to each characteristic. In addition, chirping optical fiber gratings in which the modulation period of the refractive index change is different depending on the length of the optical fiber has been used as an element such as dispersion compensation and optical fiber sensor in optical communication.
도 1에 종래의 자외선 레이저를 사용하여 처핑된 광섬유 격자를 제조하는 과정이 도시되어 있다. 첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 광섬유(1) 위에 처핑된 위상 마스크(phase mask)(2)를 위치시킨 후에 위상 마스크(2)로 자외선을 조사하며, 이에 따라 위상 마스크(2)에서 발생된 회절빔에 의하여 광섬유(1)의 코어에 간섭 무늬 즉, 격자가 형성된다.1 shows a process for manufacturing a chirped optical fiber grating using a conventional ultraviolet laser. As shown in the accompanying FIG. 1, a chirped phase mask 2 is placed on the optical fiber 1 and then irradiated with ultraviolet light with the phase mask 2, thereby generating the phase mask 2. An interference fringe, that is, a grating, is formed on the core of the optical fiber 1 by the diffraction beam.
이와 같이 제조된 광섬유 격자는 처핑된 광섬유 격자이며, 광섬유의 코어를 통해 진행하는 빛을 반사시킨다는 점에서는 단주기 광섬유 격자와 같은 특성을 가지나, 단주기 광섬유 격자에 비하여 반사 대역이 매우 크다는 차이점이 있다. 일반적으로 단주기 격자의 반사 대역은 0.6㎚ 이하이며, 처핑된 광섬유 격자는 응용 분야에 따라 다양한 반사 대역을 가지며 대략적으로 1㎚ 이상이다.The optical fiber grating manufactured as described above is a chirped optical fiber grating and has the same characteristics as the short period optical fiber grating in that it reflects light traveling through the core of the optical fiber, but has a difference in the reflection band is much larger than that of the short period optical fiber grating. . In general, the reflection band of a short period grating is 0.6 nm or less, and the chirped optical fiber grating has various reflection bands depending on the application and is approximately 1 nm or more.
이러한 처핑된 광섬유 격자를 센서로 사용할 수 있다. 즉, 처핑된 광섬유 격자에서는 스트레인(광섬유의 길이 방향으로의 인장) 또는 온도 등의 외부 영향에 따라서 오직 반사 파장만이 바뀌게 되며, 반사 대역폭 및 반사 파워는 변하지 않는다. 따라서 이러한 파장의 변화를 광 스펙트럼 분석기 등의 장비로 측정하여 외부의 영향을 정량적으로 파악할 수 있으므로, 처핑된 광섬유 격자를 센서로서 사용할 수 있다.This chirped fiber grating can be used as a sensor. That is, in the chirped optical fiber grating, only the reflection wavelength changes according to external influences such as strain (tension in the longitudinal direction of the fiber) or temperature, and the reflection bandwidth and reflection power do not change. Therefore, since the change of the wavelength can be measured by equipment such as an optical spectrum analyzer, the external influence can be quantitatively grasped, and thus the chirped fiber grating can be used as a sensor.
그러나 종래의 처핑된 광섬유 격자 센서는 반드시 온도의 영향을 분리해 내는 별도의 장치가 필요하다. 이는 반사 파장이 스트레인 뿐만 아니라 온도에 의해서도 변하기 때문이다.또한, 많은 응용에 있어서 스트레인을 측정하기 위해서는 온도에 의한 영향을 구별하거나 배제시켜야 하는데, 종래에는 이를 위하여 두가지 이상의 파라미터를 측정하여 분석하는 복잡한 방법을 사용하였다.However, conventional chirped fiber grating sensors necessarily require a separate device to separate the effects of temperature. This is because the reflected wavelength changes not only with strain, but also with temperature. In many applications, strain must be distinguished or excluded from temperature effects in order to measure strain, which is a complex method of measuring and analyzing two or more parameters. Was used.
한편, 두 개의 단주기 광섬유 격자를 사용하여 온도와 스트레인을 동시에 측정하는 광섬유 격자 센서 구조가 발표된 바 있다. 이 구조는 두 개의 격자 중 하나의 광섬유 격자의 외부 전체에 유리관을 부착하여 온도에만 영향을 받게 만든 구조이다. 이러한 구조로 이루어진 광섬유 격자 센서는 외부에서 가해지는 스트레인에 따라 두 광섬유 격자에서 반사되는 파장의 차이가 변하게 된다. 그러나 이러한 센서도 파장 변화를 알아야만 하기 때문에 부가적인 파장분석 장비가 필요하게 된다.On the other hand, an optical fiber grating sensor structure using two short-period fiber gratings to simultaneously measure temperature and strain has been announced. This structure is made by attaching a glass tube all over the outside of one of the two gratings to effect only temperature. In the optical fiber grating sensor having such a structure, the difference between the wavelengths reflected by the two optical fiber gratings changes according to the strain applied from the outside. However, these sensors also need to know the wavelength change, requiring additional wavelength analysis equipment.
그러므로 이 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 부가적인 복잡한 파장 변화 측정 장비 없이도 외부에서 가해지는 스트레인을 측정할 수 있는 광섬유 격자 센서를 제공하고자 하는데 있다.Therefore, an object of the present invention is to provide an optical fiber grating sensor that can measure the strain applied from the outside without additional complicated wavelength change measurement equipment.
또한 이 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 외부의 온도 변화에 무관하게 외부에서 가해지는 스트레인을 정확하게 측정할 수 있는 광섬유 격자 센서를 제공하고자 하는데 있다.In addition, another technical object of the present invention is to provide an optical fiber grating sensor that can accurately measure the strain applied from the outside regardless of the external temperature change.
또한, 이 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이러한 광섬유 격자 센서를 이용한 스트레인 측정 장치를 제공하고자 하는데 있다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a strain measuring device using the optical fiber grating sensor.
도 1은 종래의 자외선 레이저를 사용한 광섬유 격자 제조 과정을 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a fiber grating manufacturing process using a conventional ultraviolet laser.
도 2는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 구조를 나타낸 도이다.2 is a diagram showing the structure of an optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용한 스트레인 측정 장치의 구조를 나타낸 도이다.3 is a diagram showing the structure of a strain measurement apparatus using an optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 인가되는 외부 스트레인에 대해 변하는 반사 신호 대역을 나타낸 도이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a varying reflected signal band for an applied external strain, measured using the apparatus shown in FIG. 3.
도 5는 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 외부 스트레인에 따른 반사 신호 세기의 변화를 나타낸 도이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a change in reflected signal strength according to external strain, measured using the apparatus shown in FIG. 3.
도 6은 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 외부 온도와 스트레인을 함께 변화시켰을 때 이에 따른 신호 상태를 나타낸 도이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a signal state according to changes in external temperature and strain measured using the apparatus illustrated in FIG. 3.
도 7은 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 외부의 동적 스트레인이 인가되는 경우에 출력되는 신호의 상태도이다.FIG. 7 is a state diagram of a signal output when an external dynamic strain is measured using the apparatus shown in FIG. 3.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 이 발명의 특징에 따른 광섬유 격자 센서는,Optical fiber grating sensor according to a feature of the present invention for achieving the technical problem,
상대적 장주기 격자부와 상대적 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유; 및An optical fiber including a core on which a relative long period grating portion and a relative relative short period grating portion are formed; And
상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함한다.And a blocking member surrounding the outside of the optical fiber corresponding to the relative long period lattice portion.
여기서, 차단 부재는 외부로부터 가해지는 스트레인을 차단하며, 유리관으로 이루어질 수 있다.Here, the blocking member blocks the strain applied from the outside, it may be made of a glass tube.
이 발명의 다른 특징에 따른 스트레인 측정 장치는,Strain measuring device according to another aspect of the present invention,
설정 파장의 광신호만을 선택적으로 반사시키는 상대적 장주기 격자부와 상대적 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유와,상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함하며, 외부로부터 인가되는 스트레인에 따라 상기 반사되는 광신호의 반사 대역폭이 가변되는 광섬유 격자 센서;An optical fiber including a core having a relative long period grating portion and a relative long period grating portion for selectively reflecting only an optical signal having a predetermined wavelength, and a blocking member surrounding the outside of the optical fiber corresponding to the relative long period grating portion, An optical fiber grating sensor whose reflection bandwidth of the reflected optical signal varies according to strain applied from the outside;
상기 광섬유 격자 센서로 광신호를 출력하는 광원;및A light source for outputting an optical signal to the optical fiber grating sensor; and
상기 광섬유 격자 센서로부터 반사되어 출력되는 광신호를 검출하여 해당하는 전기적인 신호를 출력하는 광검출기를 포함한다.And a photo detector for detecting an optical signal reflected from the optical fiber grating sensor and outputting a corresponding electrical signal.
이러한 스트레인 측정 장치는 상기 광원으로부터 출력되는 광신호를 상기 광섬유 격자 센서로 전송하고, 상기 광섬유 격자 센서로부터 반사되는 광신호를 상기 광검출기로 전송하는 방향성 결합기를 더 포함할 수 있으며, 여기서 사용되는 차단 부재는 유리관일 수 있다.The strain measuring device may further include a directional coupler that transmits the optical signal output from the light source to the optical fiber grating sensor, and transmits the optical signal reflected from the optical fiber grating sensor to the photodetector. The member may be a glass tube.
이하, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention may be easily implemented by those skilled in the art with reference to the accompanying drawings.
도 2에 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 구조가 도시되어 있다.2 shows the structure of an optical fiber grating sensor according to an embodiment of this invention.
첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는, 코어(11), 코어(11)의 외부를 감싸고 있는 클래딩(12) 및 코어(11) 내부에 형성된 격자부(13)로 이루어진 광섬유(10)와, 외부로부터 인가되는 영향을 차단하기 위하여 광섬유(10)의 외부를 감싸고 있는 차단 부재(20)로 이루어진다.As shown in FIG. 2, the optical fiber grating sensor according to the exemplary embodiment of the present invention includes a core 11, a cladding 12 surrounding the outside of the core 11, and a grating portion formed inside the core 11. It consists of an optical fiber 10 made of 13, and the blocking member 20 surrounding the outside of the optical fiber 10 to block the effect applied from the outside.
격자부(13)에는 광섬유(10) 길이 방향으로 주기가 변화된 격자가 형성되어 있으며, 상대적으로 격자 주기가 짧은 상대적 상대적 단주기 격자부(131)와 상대적으로 격자 주기가 긴 상대적 장주기 격자부(132)로 이루어진다. 그리고 차단 부재(20)는 광섬유(10) 외부 전체를 감싸고 있지 않으며 상대적 장주기 격자부(132)에 대응하는 광섬유(10)의 외부만을 감싸고 있다.The grating portion 13 is formed with a grating whose period is changed in the longitudinal direction of the optical fiber 10, and a relatively short period grating portion 131 having a relatively short grating period and a relatively long period grating portion 132 having a relatively long grating period ) In addition, the blocking member 20 does not surround the entire outside of the optical fiber 10, but only the outside of the optical fiber 10 corresponding to the relative long period lattice 132.
여기서 차단 부재(20)는 유리관으로 이루어지나 이에 한정되지는 않는다. 또한 차단 부재(20)는 온도 변화에 반응하는 성질을 가지는 부재가 사용될 수 있으며, 특히 온도 변화에 대하여 광섬유와 동일하게 반응하는 성질을 가지는 부재가 사용되는 것이 바람직하다.Here, the blocking member 20 is made of a glass tube, but is not limited thereto. In addition, the blocking member 20 may be a member having a property of reacting to a temperature change, and particularly preferably a member having a property of reacting to a temperature change in the same manner as an optical fiber.
이 발명의 실시예에서는, 상대적 상대적 단주기 격자부(131) 및 상대적 장주기 격자부(132)가 형성되어 있는 즉, 처핑된 광섬유 격자의 총길이의 반에 해당하는 부분에 유리관 혹은 외부 스트레인의 영향 (광섬유의 인장, 혹은 휨)을 막을 수 있는 도구 등의 차단 부재를 부착한다. 이 때, 차단 부재가 부착되는 부분은 광섬유의 반사 대역의 장파장 부분(상대적 장주기 격자부(132))이고, 차단 부재가 부착되지 않은 부분은 단파장 부분(상대적 상대적 단주기 격자부(131))이다.In the embodiment of the present invention, the influence of the glass tube or the external strain on the portion where the relative relative short period grating 131 and the relative long period grating 132 is formed, that is, half of the total length of the chirped optical fiber grating ( Attach a blocking member such as a tool to prevent tension or warpage of the optical fiber. At this time, the portion to which the blocking member is attached is the long wavelength portion (relative long period lattice portion 132) of the reflection band of the optical fiber, and the portion to which the blocking member is not attached is the short wavelength portion (relative relative short period lattice portion 131). .
따라서 외부에서 스트레인이 가해지면 차단 부재(20)가 부착되지 않은 부분은 영향을 받아서 광섬유가 늘어나거나 휘게 되어, 이 부분에 새겨진 광섬유 격자(상대적 상대적 단주기 격자부(131))의 반사 파장이 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 한편 차단 부재(20)가 부착된 부분은 외부의 스트레인에 영향을 받지 않게 됨으로써, 이 부분의 광섬유 격자(상대적 장주기 격자부(132))는 항상 일정한 반사 파장을 갖게 된다.Therefore, when strain is applied from the outside, the portion where the blocking member 20 is not attached is affected and the optical fiber is stretched or bent, and the reflected wavelength of the optical fiber grating (relative relative short-period lattice portion 131) engraved in this portion has a long wavelength. To the side. On the other hand, the portion to which the blocking member 20 is attached is not affected by the external strain, so that the optical fiber grating (relative long period grating portion 132) of this portion always has a constant reflection wavelength.
그 결과, 스트레인에 대해 차단 부재(20)가 부착된 부분인 상대적 장주기 격자부(132)와 차단 부재(20)가 부착되지 않은 부분인 상대적 상대적 단주기 격자부(131)의 반사 파장들이 서로 겹치게 되어, 전체 처핑된 광섬유 격자의 반사 파장의 대역은 줄어들게 된다. 이와 같이 줄어든 반사 파장 대역은 광섬유 격자에서 반사되는 빛의 파워를 감소시킨다. 그러므로, 반사되는 파워의 변화를 광 검출기로 감지하여 광섬유 격자에 가해진 외부의 스트레인 값을 정량적으로 산출할 수 있게 된다.As a result, the reflection wavelengths of the relative long period grating portion 132, which is the portion to which the blocking member 20 is attached to the strain, and the relative relative short period grating portion 131, which is the portion to which the blocking member 20 is not attached, overlap each other. Thus, the band of reflection wavelengths of the entire chirped fiber grating is reduced. This reduced reflection wavelength band reduces the power of light reflected from the optical fiber grating. Therefore, it is possible to quantitatively calculate the external strain value applied to the optical fiber grating by detecting the change in the reflected power with the light detector.
한편, 외부의 온도 변화에 대해서는 유리관 즉, 차단 부재(20)가 부착된 부분과 차단 부재(20)가 부착되지 않은 부분 둘 다 같은 온도를 경험하게 되므로, 반사 파장이 동시에 장파장 영역으로 이동하여 서로 겹치지 않게 되며, 이로 인해 반사 파장 대역폭의 변화가 발생되지 않는다. 따라서, 반사되는 빛의 파워도 변하지 않게 된다.On the other hand, with respect to the external temperature change, both the glass tube, that is, the portion to which the blocking member 20 is attached and the portion to which the blocking member 20 is not attached, experience the same temperature, so that the reflected wavelengths simultaneously move to the long wavelength region and There is no overlap, which results in no change in the reflected wavelength bandwidth. Therefore, the power of the reflected light does not change.
그러므로, 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는 오직 스트레인 등의 광섬유의 인장 혹은 휨에 대해서만 반응하게 된다. 이 실시예에서, 차단 부재(20)로 유리관을 사용한 이유는 유리와 광섬유의 재질이 실리카로서 동일하고, 온도에 대한 반응이 같기 때문이다.Therefore, the optical fiber grating sensor according to the embodiment of the present invention responds only to the tension or bending of the optical fiber such as strain. In this embodiment, the reason why the glass tube is used as the blocking member 20 is that the materials of the glass and the optical fiber are the same as silica, and the response to temperature is the same.
이러한 구조로 이루어지는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용하여 다음과 같이 스트레인을 측정하는 장치를 구현할 수 있다.By using the optical fiber grating sensor according to the embodiment of the present invention having such a structure, it is possible to implement a device for measuring strain as follows.
도 3에 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용하여 외부의 스트레인을 측정하는 장치의 구조가 도시되어 있다. 첨부한 도 3에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 스트레인 측정 장치는, 광원(200), 광원(200)에 연결된 방향성 결합기(300), 방향성 결합기(300)의 일측에 연결된 광섬유 격자 센서(100), 방향성 결합기(300)의 타측에 연결되어 광섬유 격자 센서(100)로부터 반사되어 출력되는 빛을 검출하는 광 검출기(400)를 포함한다.3 shows a structure of an apparatus for measuring external strain using an optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the strain measuring apparatus according to the embodiment of the present invention includes a light source 200, a directional coupler 300 connected to the light source 200, and an optical fiber grating sensor connected to one side of the directional coupler 300. 100, a light detector 400 connected to the other side of the directional coupler 300 to detect light reflected from the optical fiber grating sensor 100 and output.
이러한 구조로 이루어지는 스트레인 측정 장치에서, 광원(200)에서 나온 광대역 빛이 방향성 결합기(300)를 통해서 광섬유 격자 센서(100)로 진행하고, 광섬유 격자 센서(100)에서 반사된 다음에 다시 방향성 결합기(300)를 통해광검출기(400)로 입력된다. 광검출기(400)에서는 검출되는 빛의 파워를 파워 미터나 오실로스코프 등을 통해서 값을 측정한다.In the strain measuring device having such a structure, the broadband light emitted from the light source 200 passes through the directional coupler 300 to the optical fiber grating sensor 100, is reflected by the optical fiber grating sensor 100, and then again the directional coupler ( 300 is input to the photodetector 400. The photodetector 400 measures the power of the detected light through a power meter or an oscilloscope.
여기서, 사용된 처핑된 광섬유 격자 센서(100)는 격자의 길이가 2.5 cm이고, 반사도는 99 %, 반사 파장은 중심이 1552.3㎚이고 반사 대역은 2.1 ㎚이었다. 이러한 광섬유 격자의 장파장 영역에 해당하는 1552.3㎚에서 1553.35㎚ 부분에 차단 부재인 유리관을 부착하였다. 유리관이 부착된 부분의 길이는 1.25 cm이다.Here, the chirped fiber optic grating sensor 100 used had a grating length of 2.5 cm, a reflectance of 99%, a reflection wavelength of 1552.3 nm in the center and a reflection band of 2.1 nm. A glass tube serving as a blocking member was attached to the 1553.35 nm portion at 1552.3 nm corresponding to the long wavelength region of the optical fiber grating. The length with the glass tube attached is 1.25 cm.
도 4에 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서(100)에 스트레인을 가했을 때의 반사 대역의 변화 상태가 도시되어 있다. 위에 기술된 바와 같이, 스트레인을 가하면, 광섬유 격자 센서(100)의 단파장 부분이 장파장 부분과 겹치기 되어 전체적인 반사 대역은 줄어들게 된다. 그러나 광섬유 격자의 반사 대역의 절반인 1.05㎚에 해당하는 스트레인 값(실험에서는 약 950μstrain)보다 큰 스트레인에 대해서는 당초의 단파장 부분이 장파장 부분을 지나감에 따라서 다시 반사 대역이 커지게 된다. 이러한 경우에는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 보다 넓은 반사 대역을 가지도록 제작하여 사용하면 되기 때문에, 측정 한계는 없다고 할 수 있다.4 shows a state of change in the reflection band when strain is applied to the optical fiber grating sensor 100 according to the embodiment of the present invention. As described above, when strain is applied, the short wavelength portion of the optical fiber grating sensor 100 overlaps the long wavelength portion, thereby reducing the overall reflection band. However, for strains larger than the strain value (about 950 µstrain in the experiment), which is half of the reflection band of the optical fiber grating, the reflection band increases again as the initial short wavelength portion passes the long wavelength portion. In this case, since the optical fiber grating sensor according to the embodiment of the present invention may be manufactured and used to have a wider reflection band, it can be said that there is no measurement limit.
도 5에 외부 스트레인에 따른 반사 파워의 변화를 광검출기로 측정한 결과가 도시되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 반사되는 빛의 파워가 가해진 스트레인에 대해 거의 선형적으로 그 값이 감소되는 것을 알 수 있다. 이는 반사 대역폭이 감소하기 때문이다. 이러한 반사 파워의 변화를 이용하면 가해진 스트레인 값을 별도의 장비(파장 분석 장치)가 없이도 측정할 수 있다.5 shows the result of measuring the change of the reflected power according to the external strain with a photodetector, and as shown in FIG. 5, the value decreases almost linearly with respect to the applied strain of the reflected light. It can be seen that. This is because the reflection bandwidth is reduced. This change in reflected power allows the applied strain to be measured without the need for a separate instrument (wavelength analyzer).
도 6에는 외부로부터 가해지는 스트레인 및 온도 변화에 따라서 반사 파워가 변화되는 상태가 도시되어 있으며, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이, 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서에서 측정되는 반사 파워는 온도 변화에 거의 무관하며, 스트레인의 영향만을 받음을 알 수 있다.6 illustrates a state in which the reflected power is changed according to the strain and temperature change applied from the outside. As shown in FIG. 6, the reflected power measured by the optical fiber grating sensor according to the exemplary embodiment of the present invention is It can be seen that it is almost independent of temperature change and is only affected by strain.
도 7에는 500 Hz의 동적인 스트레인 변화에 대한 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 반응이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는 가해진 스트레인을 정확하게 측정함을 알 수 있다.FIG. 7 shows the response of an optical fiber grating sensor in accordance with an embodiment of this invention to a dynamic strain change of 500 Hz. As shown in Figure 7, it can be seen that the optical fiber grating sensor according to the embodiment of the present invention accurately measures the applied strain.
따라서 이 발명에 따른 광섬유 격자 센서는 동적, 정적인 스트레인을 온도에 무관하게 측정할 수 있다.Therefore, the optical fiber grating sensor according to the present invention can measure dynamic and static strain regardless of temperature.
비록, 이 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허 청구 범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.Although this invention has been described with reference to the most practical and preferred embodiments, the invention is not limited to the embodiments disclosed above, but also includes various modifications and equivalents within the scope of the following claims.
이상에서와 같이 위에 기술된 이 발명의 실시예에 따라 부분적으로 유리관이 부착되어 있는 처핑된 광섬유 격자를 센서로 이용함으로써, 온도에 무관하며, 별도의 파장 분석 장비의 도움 없이 격자에서 반사되는 빛의 파워 변화에 따라 외부에서 가해지는 스트레인을 측정할 수 있다.As described above, by using a chirped optical fiber grating partially attached to a glass tube according to an embodiment of the present invention described above, the temperature is independent of the temperature and the reflection of light reflected from the grating without the aid of a separate wavelength analysis device. As the power changes, the strain applied from the outside can be measured.
따라서 스트레인 측정 장치도 별도의 파장 분석 장비가 요구되지 않으므로 구조가 간단해지고, 제조 원가를 절감시킬 수 있다.Therefore, the strain measuring device also does not require a separate wavelength analysis equipment, the structure is simplified and the manufacturing cost can be reduced.
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